Традыцыйныя святлодыёды зрабілі рэвалюцыю ў галіне асвятлення і дысплеяў дзякуючы сваім выдатным характарыстыкам з пункту гледжання эфектыўнасці, стабільнасці і памеру прылады. Святлодыёды звычайна ўяўляюць сабой стосы тонкіх паўправадніковых плёнак з папярочнымі памерамі ў міліметры, значна меншымі, чым у традыцыйных прылад, такіх як лямпы напальвання і катодныя трубкі. Аднак новыя оптаэлектронныя прымяненні, такія як віртуальная і дапоўненая рэальнасць, патрабуюць святлодыёдаў памерам у мікроны або менш. Ёсць надзея, што мікра- або субмікронныя святлодыёды (µLED) працягваюць мець многія з тых самых выдатных якасцей, якія ўжо маюць традыцыйныя святлодыёды, такія як высокастабільнае выпраменьванне, высокая эфектыўнасць і яркасць, звышнізкае энергаспажыванне і поўнакаляровае выпраменьванне, пры гэтым яны прыкладна ў мільён разоў меншыя па плошчы, што дазваляе ствараць больш кампактныя дысплеі. Такія святлодыёдныя чыпы таксама могуць пракласці шлях для больш магутных фатонных схем, калі іх можна будзе вырошчваць у выглядзе аднаго чыпа на крэмніі і інтэграваць з камплементарнай металаксідна-паўправадніковай электронікай (CMOS).
Аднак да гэтага часу такія мікрасвятлодыёды заставаліся няўлоўнымі, асабліва ў дыяпазоне даўжынь хваль выпраменьвання зялёнага да чырвонага. Традыцыйны падыход са святлодыёдамі і мікрасвятлодыёдамі — гэта працэс «зверху ўніз», пры якім плёнкі з квантавымі ямамі (КЯ) InGaN уводзяцца ў мікрамаштабныя прылады з дапамогай працэсу травлення. Хоць тонкаплёнкавыя мікрасвятлодыёды TiO2 на аснове КЯ InGaN прыцягнулі вялікую ўвагу дзякуючы шматлікім выдатным уласцівасцям InGaN, такім як эфектыўны транспарт носьбітаў і перабудоўваемасць даўжыні хвалі ва ўсім бачным дыяпазоне, да гэтага часу яны сутыкаліся з такімі праблемамі, як пашкоджанне бакавых сценак карозіяй, якое пагаршаецца па меры памяншэння памеру прылады. Акрамя таго, з-за існавання палярызацыйных палёў яны маюць нестабільнасць даўжыні хвалі/колеру. Для гэтай праблемы былі прапанаваны непалярныя і паўпалярныя рашэнні InGaN і фатонна-крышталічных рэзанатараў, але ў цяперашні час яны не з'яўляюцца задавальняючымі.
У новай працы, апублікаванай у часопісе Light Science and Applications, даследчыкі пад кіраўніцтвам Зэцяна Мі, прафесара Мічыганскага ўніверсітэта ў Анабелі, распрацавалі субмікронны зялёны святлодыёд III-нітрыду, які раз і назаўжды пераадольвае гэтыя перашкоды. Гэтыя мікрасвятлодыёды былі сінтэзаваны метадам селектыўнай рэгіянальнай малекулярна-прамянёвай эпітаксіі з дапамогай плазмы. У адрозненне ад традыцыйнага падыходу "зверху ўніз", прадстаўлены мікрасвятлодыёд складаецца з масіва нанаправадоў, кожны з якіх мае дыяметр усяго ад 100 да 200 нм, падзеленых дзясяткамі нанаметраў. Гэты падыход "знізу ўверх" па сутнасці дазваляе пазбегнуць пашкоджання бакавых сценак карозіяй.
Святловыпрамяняльная частка прылады, таксама вядомая як актыўная вобласць, складаецца са структур тыпу «ядро-абалонка» з некалькімі квантавымі ямамі (MQW), якія характарызуюцца марфалогіяй нанаправадоў. У прыватнасці, MQW складаецца з ямы InGaN і бар'ера AlGaN. З-за адрозненняў у міграцыі адсарбаваных атамаў элементаў III групы індыя, галію і алюмінію на бакавых сценках, мы выявілі, што індыя адсутнічае на бакавых сценках нанаправадоў, дзе абалонка GaN/AlGaN ахінае ядро MQW, як бурыта. Даследчыкі выявілі, што ўтрыманне Al у гэтай абалонцы GaN/AlGaN паступова змяншаецца ад боку інжэкцыі электронаў у нанаправады да боку інжэкцыі дзірак. З-за розніцы ва ўнутраных палях палярызацыі GaN і AlN, такі аб'ёмны градыент утрымання Al у пласце AlGaN індукуе свабодныя электроны, якія лёгка цякуць у ядро MQW і змяншаюць каляровую нестабільнасць, змяншаючы поле палярызацыі.
Фактычна, даследчыкі выявілі, што для прылад дыяметрам менш за адзін мікрон пікавая даўжыня хвалі электралюмінесцэнцыі, або індукаванага токам выпраменьвання святла, застаецца пастаяннай на парадак велічыні змены ўводу току. Акрамя таго, каманда прафесара Мі раней распрацавала метад вырошчвання высакаякасных пакрыццяў GaN на крэмніі для вырошчвання нанаправачных святлодыёдаў на крэмніі. Такім чынам, мікрасвятлодыёд размяшчаецца на крэмніевай падкладцы, гатовы да інтэграцыі з іншай CMOS-электронікай.
Гэты мікрасвятлодыёд лёгка мае мноства патэнцыйных ужыванняў. Платформа прылады стане больш надзейнай па меры пашырэння даўжыні хвалі выпраменьвання інтэграванага RGB-дысплея на чыпе да чырвонага.
Час публікацыі: 10 студзеня 2023 г.